Перспективы развития технологий высокоточного литья

Из коллекции г-на Чэнь Бина.

Высокоточное литье или прецизионное литье с высокой добавленной стоимостью, включая аэрокосмическую промышленность, вооружение, промышленные газовые турбины и другие важные отрасли, постепенно сорта, спецификации, будь то металлургическое качество или качество внешнего вида, становятся очень требовательными. В этой статье приведены лишь несколько типичных примеров истории развития и тенденций, чтобы сделать краткое введение.

Оборонная промышленность

 1. Лопасти турбины авиационного двигателя.

Основная часть современного авиационного двигателя (или реактивного двигателя) в основном состоит из трех частей: нагнетателя, камеры сгорания и турбины (рис. 1). С прецизионным литьем тесно связаны двигатели давления после нескольких ступеней лопаток и турбинные лопатки, в том числе статические лопатки (направляющие лопатки) и динамические лопатки (рабочие лопатки). У разных типов и применений самолетов требования к двигателю неодинаковы, но одно общее - постоянно улучшать тяговооруженность и снижать расход топлива. В связи с этим повышение термического КПД является ключевым моментом, а основные технические меры по повышению термического КПД — это не что иное, как максимизация степени наддува нагнетателя и температуры на входе в переднюю часть турбины (рис. 1). В результате неизбежно повысится температура всей системы, а соответствующие детали, особенно рабочая температура лопаток турбины, станут все выше и выше. Рабочая температура лопаток первоклассной турбины примерно эквивалентна температуре на входе в турбину, а текущая температура на входе в турбину самого современного авиационного двигателя достигает невероятных 1700 ℃, что превышает температуру плавления высокопроизводительных никелевых сплавов. -температура сплавов примерно на 300 ℃.

Согласно основным принципам металлургии, границы зерен являются слабыми звеньями при высоких температурах, поэтому область границ зерен материала сплава лопаток турбины должна становиться все меньше и меньше, от развития равноосных кристаллов (1950-е годы) до направления направление основного напряжения ориентированного столбчатого кристалла параллельно направлению главного напряжения (1970S), рабочая температура лезвия также увеличивается с 900 до 1000 ℃ до 1000 до 1100 ℃, а методы литья также соответственно отличаются от обычной вакуумной плавки - литье развивалось до направленной кристаллизации вплоть до отливки монокристалла (рис. 2 и 3).

В разных странах разработан химический состав монокристаллического сплава, который не одинаков, но микроструктура в основном одинакова, то есть γ-фаза твердого раствора на основе никеля в качестве подложки представляет собой кубическую высокотемпературную упрочненную фазу γ ', инкрустированную в нее ( Рисунок 4). На данный момент исследования и разработки монокристаллического сплава прошли одно, два, три поколения, теперь вступают в четвертое, пять и даже шестое поколение стадии исследований и разработок, движутся к использованию температуры 1150 ℃. . Несмотря на десятилетия неустанных усилий, только с точки зрения сплавов, рабочая температура еще не превысила 1150 ℃. Тем не менее, последние требования к температуре на входе в турбину авиационных двигателей достигают 1700 ℃, а разница составляет почти 600 ℃. Как восполнить этот разрыв в 600 ℃? В настоящее время, в основном, с помощью двух технических мер, а именно воздушного охлаждения внутри лопасти и внешнего термобарьерного покрытия лопасти. Чтобы постоянно повышать эффективность воздушного охлаждения, внутренний канал охлаждения лопатки должен быть извилистым, чтобы его охлаждающий эффект распространялся на все части корпуса листа, особенно на края впускного и выпускного отверстий. Это приводит к более сложной и сложной структурной форме керамических сердечников, образующих внутренние полости (рис. 5). Ввиду плохих свойств ковки и механической обработки практически всех жаропрочных сплавов, особенно со сложными внутренними полостями (каналами охлаждения), прецизионное литье заслуженно стало единственным на сегодняшний день методом формования лопаток турбин авиационных двигателей.

Короче говоря, термобарьерное покрытие – это теплоизоляционное покрытие, новая технология, разработанная лишь в конце прошлого века. Его базовая структура состоит из двух слоев: керамического верхнего слоя с небольшой теплопроводностью и клеевого слоя, предназначенного для предотвращения окисления подложки и ее прочного связывания (рис. 6). Первый формируется в основном с помощью физических методов осаждения из паровой фазы, таких как электронный луч или плазма, а второй - путем химического осаждения из паровой фазы. Общий коэффициент теплового расширения покрытия должен соответствовать коэффициенту теплового расширения материала основы, чтобы гарантировать, что оно не растрескивается и не отслаивается при высокой температуре 1700°C. Покрытие также следует наносить на материал основы. На рис. 7 показана полая лопатка турбины с термобарьерным покрытием.

2. Крупные интегральные структурные компоненты.

Типичный профиль авиационного двигателя показан на рисунке 8. Корпус состоит из ряда отсеков, часто называемых «магазином». После камеры сгорания вообще нет литья, а герметизированные части некоторых магазинов очень сложной формы зачастую производятся только путем литья в формовки. Коэффициент повышения постоянно растущих требований к рабочей температуре компрессора сжатого воздуха продолжает расти, поэтому метод формования этих магазинов из алюминия и магниевого сплава, литье в песчаные формы (1950-е ~ 1960-е годы, разработка листового металла из нержавеющей стали - сварка с современным титановым сплавом). или прецизионное литье жаропрочных сплавов. На рис. 9 показан большой магазин для титановых сплавов производства PCC, а на рисунках 10 и 11 показаны магазин для титановых сплавов и восковая форма производства Howmet соответственно.

Поскольку титановые сплавы обладают более высокой удельной прочностью и удельной жесткостью, чем другие сплавы, крупные тонкостенные сложные конструктивные детали из титановых сплавов нашли также широкое применение в крупных несущих элементах конструкций самолетов (рис. 12) и корпусов ракет (рис. 13). ) с 1970-х годов.

3. Прецизионные отливки из алюминиевого сплава с цельной конструкцией.

Эти отливки широко используются в стойках, рамах, основаниях и радиаторах электронного и телекоммуникационного оборудования и т. д. На рисунке 14 показано несколько типичных примеров. Прецизионные отливки из алюминиевого сплава с цельной структурой.

 Промышленные газовые турбины

Сокращение выбросов парниковых газов стало серьезным вызовом для всего человечества. Наибольшее количество углекислого газа, несомненно, выбрасывается на термоэлектрических (тепловых) электростанциях по всему миру. Как правило, производство тепловой энергии подразделяется на угольное, нефтяное или газовое, в зависимости от используемого топлива. Выбросы углекислого газа на единицу тепла, произведенного этими тремя системами, сильно различаются: относительные значения составляют 1,00, 0,76 и 0,53 соответственно. Это означает, что выбросы углекислого газа могут быть сокращены примерно вдвое, если заменить все традиционные угольные электростанции. за счет газовой энергетики. Как мы все знаем, в настоящее время теплоэнергетическое оборудование Китая по-прежнему в основном представляет собой паровые турбины, работающие на угле, с точки зрения повышения энергоэффективности энергетического оборудования промышленно развитые страны уже давно перешли на газовые турбины, работающие на нефти или газ. Не только энергетическое оборудование, судовые электростанции, а также некоторые мощные механические насосы, нагнетатели давления и другое оборудование также работают на газовых турбинах. Таким образом, почти во всех промышленно развитых странах газовая турбина является одним из основных рынков отрасли точного литья, ее продажи составляют около трети доли рынка. К сожалению, по разным причинам, до сих пор газотурбинная промышленность Китая все еще находится на довольно низком уровне развития, в том числе лопатки турбин, в том числе многие ключевые компоненты, все еще находятся на стадии разработки, на долю которых приходится незначительная доля рынка точного литья.

Фактически, принцип работы и конструкция промышленной газовой турбины в основном такие же, как у авиационного двигателя, а основная часть также состоит из трех частей, таких как нагнетатель давления, камера сгорания и турбина (рис. 15). Поэтому многие передовые технологии тонкого литья, используемые в авиационных двигателях, такие как направленная затвердевание, литье монокристаллов, охлаждение лопаток и термобарьерное покрытие, были в больших количествах перенесены на газовые турбины. Как и в авиационных двигателях, тепловой КПД газовых турбин напрямую зависит от температуры на входе в переднюю часть турбины. Например, для традиционного типа генераторной установки комбинированного цикла, популярной в мире, температура на входе в переднюю часть турбины составляет 1100–1300 ℃, а тепловой КПД составляет 43–48%; в то время как температура на входе в переднюю часть газовой турбины нового типа составляет 1500 ℃, а тепловой КПД составляет 52%; и целевое значение термического КПД сверхвысокоэффективной газовой турбины в процессе исследований и разработок составляет 56% ~ 60%, а температура на входе в переднюю часть турбины будет дополнительно увеличена до 1700 ℃.

Хотя требования к промышленным газовым турбинам по тяговооруженности не так высоки, как к авиационным двигателям, сложность состоит в больших габаритах. На рис. 16 показаны первичные и вторичные лопатки промышленной газовой турбины MS9001FA компании GE длиной 43 см и 56 см и массой 13,5 кг и 12,6 кг соответственно. На рис. 17 показана вентиляторная секция направляющего аппарата турбины длиной 60 см и массой >60 кг. Сообщалось также, что расчетная длина лопаток турбин промышленных газовых турбин достигла даже 90 см. На рисунке 18 показана монокристаллическая турбинная лопатка длиной 30 см, успешно разработанная компанией Mitsubishi Heavy Industries в Японии в 2011 году. На рисунке 19 показана восковая форма в процессе прессования. На рис. 20 показан обрезанный керамический стержень (заготовка).

 Турбокомпрессор автомобильного двигателя

Первоначальная цель установки турбокомпрессора в автомобиле состоит в том, чтобы в полной мере использовать выхлопные газы двигателя для приведения во вращение турбины турбокомпрессора, которая, в свою очередь, приводит в движение крыльчатку коаксиального компрессора для сжатия воздуха и подачи его в двигатель. , тем самым увеличивая мощность и крутящий момент двигателя для достижения эффекта снижения расхода топлива и повышения чистоты выхлопных газов (рис. 21 и 22).

Обычно дизельные двигатели легковых автомобилей выбрасывают выхлопные газы при максимальной температуре около 850°С, тогда как бензиновые двигатели могут достигать температуры до 1050°С. Поэтому турбины обычно изготавливаются прецизионным литьем из жаропрочных сплавов на основе никеля, таких как 713C или MarM. Наиболее эффективным методом производства таких изделий считается запатентованная технология антигравитационного литья (вакуумного литья) компании Hitchiner Manufacturing Co., Inc. в США (рис. 23). С другой стороны, рабочие колеса переднего компрессора не работают при высоких температурах и обычно изготавливаются из прецизионного гипсового литья из алюминиевого сплава. Крыльчатки и турбины нагнетателей, как правило, имеют небольшие размеры, но имеют очень высокие скорости вращения, до 250 000 об/мин и более, что приводит к очень строгим требованиям к качеству этих двух рабочих колес. Хотя есть также ряд отечественных производителей, производящих эти два колеса, но производство в общем спросе не составляет большой доли.

В последние годы использование небольших двигателей с турбокомпрессорами для замены больших двигателей без наддува стало популярной тенденцией в Европе из-за растущих призывов к снижению расхода топлива и улучшению качества городского воздуха, а с учетом того, что 2011 год является базовым, темпы установки количество нагнетателей удвоится или более к 2016 году, что составит 76% от общего числа. Однако, поскольку в европейских странах автомобильные генераторы в основном представляют собой дизельные двигатели, только установки турбонагнетателя недостаточно для соответствия постоянно обновляемым стандартам ЕС по выбросам транспортных средств, но они также должны быть оснащены системами впуска и выпуска для минимизации выбросов PM2,5 и NOx. и другие вредные выбросы. Многие детали в системе, большая часть материала изготовлена ​​из нержавеющей стали, со сложной геометрией, тонкими стенками и требованиями к точности размеров с более высокими характеристиками, очень подходит для формования методом точного литья, что делает автомобильное прецизионное литье необходимым для быстрого расширения доля рынка с 5% в 2004 году до 16% в 2011 году, в Японии за тот же период с 24% подскочила до 43%. Хотя прецизионное литье впускной и выпускной системы автомобильного нагнетателя, с общей точки зрения на рынке точного литья можно считать только продукцией среднего класса, но из-за рыночного спроса развитие индустрии точного литья в Китае обеспечивает редкая возможность. В 21 веке дельта реки Янцзы в Китае, Бохайское море и другие районы многих предприятий точного литья, полагаясь на реформу и открытость, чтобы обеспечить политические и географические преимущества, не теряют времени, чтобы воспользоваться возможностью, чтобы сделать эту часть точного литья продукты в этих областях устоялись и быстро превратились в новый рынок продукции, в то же время, независимо от того, от управления предприятием до технологии обработки и оборудования, но и на основе оригинала для повышения шага. Стоит отметить, что в отечественных автомобильных двигателях, хотя в легковых автомобилях по-прежнему преобладают бензиновые двигатели, в грузовых автомобилях преобладают дизельные двигатели. С постепенным улучшением требований к качеству воздуха в Китае, турбокомпрессор и его вспомогательное оборудование должны быстро сформировать новый внутренний рынок, стать развитием китайской промышленности точного литья, а затем добавить новую волну жизненной силы развития.

Уменьшение плотности вращающихся частей нагнетателя положительно влияет как на КПД двигателя, так и на переходные характеристики. Удельный вес титано-алюминиевого сплава (TiAl) 4,2 и удельный вес сплава на основе никеля (713 C) 7,9, поэтому, если использовать первое вместо второго, масса уменьшится почти вдвое (47%), тем самым уменьшив инерция турбины, сокращая время реакции на увеличение крутящего момента, что позволяет улучшить переходные характеристики турбокомпрессора. По данным японской компании Daido Casting Co. (Daido Casting Co.), с помощью сочетания суспензионной плавки и вакуумного литья удалось успешно отлить турбину турбокомпрессора из титано-алюминиевого сплава и запустить в серийное производство. На рисунке 24 показан принцип суспензионной плавки (слева) и плавильная ванна (справа), на рисунке 25 показан принцип суспензионной плавки - схема устройства вакуумно-отсосного литья.

   Титан-алюминийпрецизионное литье из сплава

Титан-алюминиевый сплав представляет собой интерметаллическое соединение с низкой плотностью, хорошими механическими свойствами при высоких температурах и стойкостью к окислению, которое может использоваться для замены некоторых жаропрочных сплавов и других жаростойких материалов в аэрокосмической, промышленной газовой турбинной и автомобильной промышленности. . Результаты испытаний механических свойств доказывают, что он обладает высоким сопротивлением ползучести и превосходной усталостной стойкостью при температуре 760 ℃. Но такие материалы хрупкие, удлинение при комнатной температуре менее 2%, ударопрочность и характеристики расширения трещин плохие, поэтому литье под давлением становится лучшим средством формирования таких материалов. С девяностых годов прошлого века все чаще вместо жаропрочных сплавов на основе никеля используются для изготовления лопаток промышленных газовых турбин (рис. 26а), всей литейной турбины (рис. 26б), лопаток авиационных двигателей (рис. 26в), автомобильных впускные и выпускные клапаны цилиндров двигателей внутреннего сгорания и другие изделия.